数字模拟混合电路设计

1、江苏经贸职业技术学院毕业设计（论文）题目： 数字和模拟混合系统的设计系 (院)信息技术学院专业班级12 应用电子（单）学 号1227031135学生姓名王超校内导师李春彪职 称副教授企业导师汪思敏职 称工程师企业导师胡耀奇职 称部门经理2015年 05 月 10 日数字和模拟混合系统的设计摘 要本文通过讨论数模混合电路系统的设计。了解数模混合系统电路的现状，了解数模混合电路在实际应用中有哪些难点，知道模混合系统电路的缺陷，通过成功案例的分析，找到解决模混合系统电路的缺陷，使数模混合电路更加完善。文章首先了解数模混合电路系统设计的特点，通过软件的分析，对数模混合电路的发展状况进行了解， 对数模混

2、合电路的干扰进行分析，如何解决这些问题进行探讨，以及遗留的问题进行分析，对数模混合电路的一些关键问题进行阐述。以及数模混合电路的集成电路进行的数字、模拟模块的划分。以便了解更多的关于数模混合电路的知识。关键词 现状 难点 缺陷 解决方法The design of digital and analog mixed systemAbstract This paper discusses the design of mixed circuit system. The status quo of mixed circuit knowledge, understand the mixed circuit

3、 and what are the difficulties in the practical application, know the defect mode of hybrid system circuit, through the analysis of successful cases, find a solution to the defect mode mixing circuit, the mixed circuit more perfect.文章首先了解数模混合电路系统设计的特点，通过软件的分析，对数模混合电路的发展状况进行了解， 对数模混合电路的干扰进行分析，如何解决这些问

4、题进行探讨，以及遗留的问题进行分析，对数模混合电路的一些关键问题进行阐述。以及数模混合电路的集成电路进行的数字、模拟模块的划分。以便了解更多的关于数模混合电路的知识。Firstly, understand the characteristics of digital analog hybrid circuit design system, through the software analysis, to understand the development of mixed circuit, analyze the interference in mixed signal circuits,

5、 discusses how to solve these problems, and the remaining problems are analyzed, some key problems of mixed circuit were described. Division and analog IC circuit, the digital simulation module. In order to understand more about the mixed circuit knowledge.Keywords Present situation The difficulty D

6、efect Solution 目 录引言5第一章 数模混合电路的现状分析61.1数模混合电路的现状61.2数模混合电路问题的产生61.3数模混合电路的现有解决方案6第二章 数模混合电路案例72.1模拟电路部分72.2数字电路部分72.3数模混合时钟电路72.3.1模拟电路原理图82.3.2模拟电路仿真图82.3.3数模混合时钟电路显示仿真图9第三章数模混合电路的问题与分析103.1数模混合电路的解决分割问题方案103.1.1按电路功能分割接地面103.1.2采用局部接地113.1.3采用“统一地平面”123.1.4数字和模拟电源做为电源面分割133.2数模混合电路缺陷解决方案不足133.3解决

7、方案实施重点133.4数模混合电路未来的发展13第四章 数模混合电路噪音解决方案的的总结14参考文献15引 言由于数字技术的飞速发展，数模混合系统在社会中得到广泛运用，特别在计算机技术等电子产品中的高速发展中普及，在现在通信、控制及检测领域中，信号的处理都是运用了模数混合技术。数模混合电路的设计，一直是硬件电路设计中性能提高的瓶颈。现实存在的都是模拟量，如图像、位移、温度、压力、时间等，所以要使数字仪表或计算机能识别处理这些信号，必须通过A/D转换器，将模拟信号转化成数字信号可以通过数码管显示出来。模拟信号和数字信号的相互转变是否实时、精确，是数模混合电路设计的重要指标。除了器件的工艺，算法的

8、进步会都会影响系统数模混合电路精度，在实际工作环境中的众多干扰中，噪声是影响数模电路性能的主要因素。 由于数字技术的飞速发展，数模混合系统在社会中得到广泛运用，特别在计算机技术等电子产品中的高速发展中普及，在现在通信、控制及检测领域中，信号的处理都是运用了模数混合技术。第一章 数模混合电路的现状分析对于现在的电子产业来说，时时刻刻离不开以数模混合电路设计，特别是在集成电路中，集成电路的发展已经成为微电子技术的标志，已经成为现代信息产业的基础随着系统集成的应用需求的增加，越来越多的模拟模块和数字模块镶嵌在同一集成电路中。数模混合电路主要运用在通讯和消费电子领域中。而电子产品的普及已经成为全球集成

9、电路产业的高速发展的主要推动力。1.1数模混合电路的现状在数模混合电路设计的过程当中，模拟信号和数字信号的转变是否实时、精确，是衡量数模混合电路设计的重要指标。除了器件的工艺，算法的进步会都会影响系统数模混合电路精度，在任何的工作环境中都存在着的许多干扰源，如磁场的的大小，电流的大小等，都会产生噪声，噪声是影响整个数模混合电路性能的最主要因素。作为干扰源、干扰对象和干扰途径的辨别是分析数模混合设计干扰的基础。1.2数模混合电路问题的产生数模混合电路通常有两个干扰源，一个是电压干扰源，另一个是电流干扰源。将电压作为干扰源在数字电路中，会接极高的输入阻抗，接在输入端口，一般为几十千欧到上兆欧姆，这

10、么高的阻抗，会导致电路的电流非常的弱，这种数字信号只能在电压信号上才能起作用，以至于快速交变的数字信号的电源管脚上，因为和互感电感将会使电路产生同步开关噪音。由于数模混合电路中还会存在一些电流信号，因为直流电源到负载之间的电源信号上有较大的电流，根据右手螺旋定理，在电流信号的周围会感应出磁场，进而引起变化的电场，也是引起噪声的原因。1.3数模混合电路的现有解决方案为了解决这些干扰问题，主要采用接地方法，接地主要解决“公共地阻抗耦合”和“低频地环路”还有针对“高频所容易通过长地走线”产生的共模干扰。以减少对电路的干扰。还有采用对电路结构进行减小功耗和噪声的同步优化的设计，采用差分放大器，经过全差

11、分分时进行结构处理，使整个电路在满足高速高分辨率的前提下完成减小噪音的目地。第二章 数模混合电路案例在现代的电子产品中大多数都采用数模混合电路，如开关电源电路，水温控制电路计速器等，本文以数模混合时钟电路为例，来观察数模混合时钟的模拟部分和数字部分。数模混合时钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置,与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，主要由直流稳压电源、震荡分配器、计数器、译码器显示器组成2.1模拟电路部分模拟电路部分用5V的直流电压作为输出，最大输出电流500mA,稳压系数小于等于0.05，直流稳压电源可供数字电路正常工作。2.2数字电路部分因为是数字时钟所以首先具有校时功能。

12、和显示功能，利用集成电路设计2.3数模混合时钟电路根据数模混合时钟电路的需求，可得原理图如图1所示：图1数模混合时钟电路图2.3.1模拟电路原理图555计时器原理图如图2所示：图2 555计时器电路图2.3.2模拟电路仿真图555计时器仿真原理图如图3所示：如图3 555计时器输出仿真图利用555定时器组成的多谐振荡器产生稳定度较高的高频方波信号，然后经分频电路，将高频方波分频为1HZ的秒脉冲波，输入到六十进制的秒计数器，秒计数器和分计数器都是有一个个位十进制十位六进制，当秒计数器的十位在清零时也向分六十进制的计数器个位发一个脉冲使分计数器加1，当分计数器的十位在清零时也同时向二十四进制时和十

13、二进制计数器的个位发一个脉冲，使其加1。将时，分，秒计数器的输出端分别接上译码器和显示器，最大显示值为23小时59分59秒，再输入一个秒脉冲后，显示复零。并且能实现12与24的时时转换和上下午显示电路。2.3.3数模混合时钟电路显示仿真图如图4数模混合时钟电路显示仿真图电路工作原理：通过模拟电路二脚插针给电路通电，并调节电位器使输入数字电路的电压为5V。给CD4017，CD4011，NE555输入+5V电压，通过555定时器3脚给任意一个4011脉冲，使4011与数码管相连，通过脉冲的给入，使ag管脚出现高电平，以驱动晶体管显示个位数字，当给入九个脉冲时，10脚输入一个高电平至4017和另一4

14、011,当输入6个高电平时，4017的5脚输出高电平，并给15脚和4011的5脚输入高电平进行复位，使十位数码管到六十清零，或按按钮开关进行复位清零，LED灯显示电路导通状况。第三章 数模混合电路的问题与分析在设计数字模拟混合电路时，会经常碰到一些状况如电源和地的划分，在传统的设计中，数字和模拟部分是被严格分开的；然而随着科技的进步，芯片也越来越复杂，数模电路集成度配置再不断增提高，模拟模块和数字模块的分割又将会使造成数字信号跨分割，会对电路的回流信号产生缺陷，重而影响整个电路的信号完整性。如图5：图5分割示意图还是做分割，但是在跨分割的信号下方单点连接以避免跨分割问题；但是如果数模之间信号非

15、常的多，就会难以分开，这种“单点连接”也存在困难，也有一些设计，不做分割，只要保证数字模块和模拟模块，不要交合就行，或者在分割的信号旁边，并联电容形成一个闭合回路，这些方法在实际设计中都有成功的案例，当然干扰不能百分之百的消失，所以不管是哪种设计都会存在一些问题。3.1数模混合电路的解决分割问题方案为了分开模拟模块和数字模块的部分，作用是为了抗干扰，主要是数字电路对模拟电路的干扰。又因为，分割可能造成信号回流路径不完善，这就会导致数字信号的信号质量，影响电路质量。因此，不管哪个平面的分割，都将会被看成信号回流路径是不是被增大了，在查看回流信号对电路的正常工作信号干扰有多大。在现在的一些数模混合

16、设计中，不分电源和地，在布局时，按照数字部分、模拟部分，分开布局布线，避免出现跨区信号。下面我们从四个方面来介绍数模混合电路解决方案分割问题。3.1.1按电路功能分割接地面按电路功能分割接地，功能分割是指在利用物理上的分割来减少不同类型线的接线方式，来改变减少数模混合电路之间的相互耦合，特别指出的是通过电源线和地线之间的耦合。然后按电路功能进行分割地线，利用分割技术将4个不同类型功能模块的电路，通过接地面分割开来，如图6所示：图6电路功能分割接地面图每个电路的电源输入都会采用LC滤波器，因为LC滤波器可以减少不电源面之间的耦合。对于各电路通过的LC滤波器，对电感和电容来说，为了电路将使给每个电

17、路提供不同的滤波特性，所以最好要采用不同数值。高速数字具有极高的瞬时功率，高速数字电路会放在电源入口处。在电路输入端中，会考虑暂态抑制和静电释放的器件或电路等，在电源的末端。模拟部分的和数字部分的，还有噪声部分的电路等，通过不同类型的电路绘制在统一电路中，所以每一个电路都必须要以最适合电路类型方式进行接地。然后再通过将不同的接地电路连接在一起。3.1.2采用局部接地像数字电路、振荡器电路、模拟电路、时钟电路等，都可以安装在一个单独的局部接地面上。但这个局部接地面应该设置在电路的顶层，因为它通过许多通孔与电路的内部接地层直接相连接，如图7所示： 图7采用局部接地图把时钟电路和振荡器安装在同一个的

18、局部接地面上，就会产生镜像层，这个镜像层就会获得LC振荡器内部和相关电路产生的共模负载电流信号，这样就可以减少负载的影响。当采用局部接地面时，一定要注意，不可以穿过镜像层来布线，这样会破坏镜像层的功能，导致数模混合电路设计不能正常工作。如果一条走线穿过了局部化接地层的上面，就会产生存在小的接地环路或者不连续性电位。这样就会导致，这些小的接地环路在射频时会引起一些不好的问题。如果电路器件应用不同的数字接地或不同的模拟接地，该电路器件可以布置在不同的位置上，采用局部接地面，然后，通过绝缘的凹槽实现器件分区。进入各部件的电源电压将使用铁氧体、磁珠和电容器进行滤波，使电路正常工作。3.1.3采用“统一

19、地平面”在直流电路中或者交流电路中，需要将直流电路或者交流电路的模拟接地和数字接的地引脚连接在同一点，一般的建议是：将直流接地和交流接地的引脚以最短的岛线连接到相同的一个低阻抗的地平面上。如果将一个数字系统使用一个交流电路中，如图6所示：图6统一地平面图可以将“地平面”分割开来，在交流电路的芯片的下面把模拟接地和数字接地的部分连接在一起。但必须要正确，一定要注意模拟接地和数字接地的之间的宽度与IC的宽度相同，并且信号线不可以穿过分割间隙。在许多的集成芯片当中A/D转换器的内部没有将数字接地和模拟接地接在同一点上，所以就要采用外部的管脚将它们连接在一起，必须由外部的引脚，来实现模拟接地和数字接地

20、的连接，任何电路与直流电路连接的外部阻抗都会由寄生电容将更多的数位噪声耦合到集成电路内部的模拟电路上。而使用一个“统一的地平面”，需要将A/D转换器的交流接地和直流接地的引脚都连接到模拟地上，但这种方法也不是更好的，因为会产生数字信号去耦合电容的接地端，就会产生两个问题，是接到数字地上面？还是模拟接地上面？。所以需要仔细选择如何接地。 3.1.4数字和模拟电源做为电源面分割 在数模混合的系统电路中，分别采用独立的模拟电源和数字电源供电，在数模混合信号的电路上用分割的电源平面，还要注意在电源层的信号线与在不能跨越的电源之间要有间隙，只有在大面积信号层上的信号线之间才能跨越它们。所以将模拟电源用填

21、充和走线的形式来设计，而不是用一个电源平面来设计，这样就可以避免电源面的分割问题，如图7所示：图7数字电源和模拟电源分割的电源图3.2数模混合电路缺陷解决方案不足通过四种方法的设计只能做到改善电路减小噪音，并不能完全使噪音全面消失，在现在的科技中，不能完全解决这些干扰，这就需要在未来，科技发达的情况下，进一步改善。或者使这些干扰完全消失。3.3解决方案实施重点在数模混合电路的设计中，如何能让数模混合电路如何融合，将干扰的情况降的更低，一直是困扰硬件电路设计师提高性能的瓶颈，模拟信号和数字信号的转变是否实时、精确，是衡量数模混合电路设计的重要指标。除了器件的工艺，算法的进步会都会影响系统数模混合

22、电路精度，在任何的工作环境中都存在着的许多干扰源，如磁场的的大小，电流的大小等，都会产生噪声，噪声是影响整个数模混合电路性能的最主要因素。如何解决这些难点一直是设计师在思考的。3.4数模混合电路未来的发展由于现在高新科技的快速发展，对精度，智能化的要求也越来越高，高精度，高智能化是人们现在的所关注的，能够更快，更便捷的系统开发集成芯片，一直是设计师所追求的以使其数模混合电路的更加融合的信息处理能力，这也是成为一种新的技术缺势。然而数模混合设计还存在很多问题，没有统一的设计要求，所以整合在一起比较困难，其中最大的问题就是防干扰问题，集成电路数字电路多一些，模拟电路更多。把两种不同性质的状态，融合在同一芯片上，是具有一定难度的，挑战性很高。整合集成电路的智能数模电路其成本势必也会较高，市场竞争相当激烈。以数模混合电路做成的集成电路的发展，已经成为微电子技术的标志，已经成为现代信息产业的基础随着系统集成的应用需求的增加，越来越多的模拟模块和数字模块镶嵌在同一集成电路中。数模混合电路主要运用在通讯和消费电子领域中。而电子产品的普及已经成为全球集成电路产业的高速发展的主要推动力。第四章 数模混合电路噪音解决方案的的总结本文的撰写得到了模数混合在电子产品中不可或缺的运用，通过这次论文，我不仅